石墨烯改性富锌底漆的制备及在集装箱上的应用

刘立伟 许怒涌 陈建军 戴凯 王自龙 杨鸿鹏

摘要：选取插层解理法制备的水性石墨烯浆料对水性环氧富锌（80%）底漆进行改性，取代其20%的锌粉，制备水性石墨烯（60%）锌粉底漆。重点对比了石墨烯不同添加量的水性（60%）锌粉底漆和水性（80%）锌粉底漆的涂层附着力、柔韧性、耐性盐雾等性能。结果表明：在集装箱涂层相同的配套（环氧富锌底漆+环氧中间漆+丙烯酸面漆）膜厚下，水性（60%）锌粉底漆在合适的石墨烯的添加量下，降低锌粉用量但可以提高涂层的耐中性盐雾性能，其中石墨烯添加量在0.3%综合性能最佳，耐冲击性（正冲）50cm，划格附着力1级，耐中性盐雾1200h，远超集装箱传统涂层配套技术要求的600h。

关键词：石墨烯；富锌底漆；集装箱

由于富锌涂料对基材具有优异的保护性能，其在集装箱涂层防腐领域得到了广泛的应用[1-2]。此外，水性环氧富锌涂料施工工艺简单方便，涂膜十分符合集装箱行业对涂层的整体性能要求[3]。但是环氧富锌涂料，需要大量的锌粉构成阴极的防护导电通路，大量锌粉的使用会存在一部分技术缺陷：首先会导致漆膜脆性较大，影响柔韧性；其次影响漆膜致密性，导致漆膜耐水性差；锌粉含量过高不仅影响焊接性能，还会产生锌烟，不利于焊接操作人员的身体健康；锌粉属于耗竭资源，对其大量使用，不仅材料成本高，且浪费资源和能源。因此在保持原有的性能基础上，降低锌粉的用量，利大于弊。

环氧富锌涂层中的锌粉随着腐蚀的时间加长被氧化导致导电性降低，可能阻斷电子的传输路径，让环氧富锌原本的阴极保护大幅降低，从而导致涂层防腐性能变差。高质量薄层石墨烯是片层结构，具备优异的导电性，将其以合适的量添加到富锌底漆中，可以和锌粉形成极佳的导电网络，即可以让石墨烯实现导电搭桥，实现降低部分锌粉用量，涂层也具有良好的防腐性。同时，石墨烯对于腐蚀介质具有不可渗透性，添加在富锌底漆中，其片层结构层层叠加、交错排列，在涂层中可形成“迷宫式”屏蔽结构，形成一道道屏蔽阻隔，能有效抑制腐蚀介质的侵蚀，提高涂层物理阻隔性，对钢材和锌粉都提供了保护作用[4-6]。

本实验选取了插层解理法制备的水性石墨烯浆料对水性（80%）锌粉底漆进行改性，取代其20%的锌粉，开发出水性石墨烯（60%）锌粉底漆，在降低锌粉用量的基础上，通过物理机械性能、耐中性盐雾测试，研究了石墨烯添加量影响涂层防腐性能的规律，并在集装箱上进行应用，在满足基本物理机械性能的基础上，耐中性盐雾性能远超集装箱传统涂层配套国标耐中性盐雾要求的600h，达到1200h。

1实验部分

1.1主要原料及仪器

水性石墨烯浆料：中烯涂墨烯-格瑞丰ZX；环氧乳液：工业级，美国瀚森；改性多元胺：上海瀚岱；锌粉：工业级，800目，湖南新威凌；特殊防腐颜料：工业级，600，泰和；膨润土，海明斯；分子筛A3，格雷斯；分散剂6208：工业级，湛新；消泡剂011：工业级，毕克；ZX-E-2003水性环氧中间漆、ZX-C-5003水性丙烯酸面漆：工业级，福建中烯新材料有限公司；异丙醇、乙二醇丁醚：工业级，市售。

BSA4202S电子天平（0.01g），Sartorius；BGD740/2分散机、BGD225流挂仪、BGD503附着力划格板、BGD302漆膜冲击器、BGD880盐雾试验箱，标格达；HWS-80B恒温干燥箱，宏诺。

1.2配方

配方见表1和表2。

A组分制备：依次加入改性多元胺、分散剂、助溶剂，低速搅拌10min，然后缓慢添加膨润土、蜡粉、分子筛高速分散40min至细度60um以下，其中保持温度在45～55℃至少25min，最后缓慢加入防腐填料、锌粉继续高速分散30min即可。

B组分制备：依次加入环氧乳液、石墨烯浆料、防闪锈剂、市自来水、消泡剂，然后中速分散30min，过滤即可。

1.3分析与测试

1.样板制作：将A、B组分按照5：1质量比混合搅拌均匀后，加入适量的纯水稀释至合适的施工粘度，按照集装箱用水性涂料JH/T E06-2021的标准制备富锌底漆+环氧中间漆+丙烯酸面漆涂层配套样板，实验室用2～3mm喷砂钢板，采用有气喷涂。

2.性能测试：漆膜的耐水性按照GB/ T1733—1993进行测试；耐盐雾性按照GB/ T1771—2007进行测试；附着力按照GB/ T9286—2021进行测试；柔韧性按照GB/ T1731—2020；抗冲击性按照GB/T1732—2020标准进行测试。

2结果与讨论

2.1水性石墨烯（60%）锌粉底漆与水性（80%）锌粉底漆物理性能对比

物理性能测试对比，结果见表3，其中石墨烯的添加量为干膜的质量分数。

由表3可以知，未添加石墨烯的80%和60%锌粉底漆，柔韧性只能到2mm，而添加≥0.3%的石墨烯的柔韧性能到1mm。所有涂层耐冲击都可以达到50cm，无开裂、脱落现象。大于等于0.3%石墨烯，划格附着力可以做到0级，其他的只能做到1级。由此看出，当石墨烯添加到一定量时，可明显改善涂层的柔韧性和附着力，可能是由于石墨烯本身特殊的片层结构和优异的力学性能，从而使涂层有优异的物理性能。

2.2水性石墨烯（60%）锌粉底漆与水性（80%）锌粉底漆的涂层配套综合性能对比

由以上测试结果挑选石墨烯添加量0.1%、0.3%、0.5%的配方与80%锌粉底漆进行集装箱涂层配套综合性能测试，结果见表4。按照正常生产节拍施工，底漆喷涂一道30um；环氧中间漆喷涂一道50um；丙烯酸面漆喷涂一道40um。

可见，石墨烯的引入可以提高涂层的防腐蚀性能和机械性能，当石墨烯添加量较低时，涂层的防腐性能随着石墨烯掺量的增加有逐渐提高的趋势；但是，当石墨烯添加量超过0.3%时，机械性能最佳但涂层的防腐性能开始出现明显下降，可能是因为体系中石墨烯过量，在涂层中分布不均导致内部缺陷增多，影响了涂层防腐性。

3结语

通过选取插层解理法制备的石墨烯代替部分锌粉，添加相对合适的量，可在涂层中均匀分散，不团聚，制备的水性石墨烯环氧锌粉防腐涂料具有优异的力学性能与防腐性能。

当石墨烯添加量为干膜质量的0.3%时，所制备的水性石墨烯（60%）锌粉底漆+环氧中间漆+丙烯酸面漆的集装箱配套涂层综合性能最佳，附着力0级，柔韧性1mm，耐冲击50cm，耐中性盐雾达到1200h，超过水性80%锌粉底漆的配套的600h要求。该石墨烯改性富锌（60%）底漆，能够降低锌粉的用量，耐腐蚀、施工性能优异，并且与中间漆、面漆有良好的配套性，在集装箱的涂装中，有很高的实际使用价值。

参考文献

[1]苍会升，温义丽，谢飞，等.新型环境友好型集装箱涂料的研制[J].中国涂料，2019，34（9）：45-50.

[2]李继华.集装箱用水性涂料标准解读[J].中国涂料，2016，31（9）：7-11.

[3]高雪田.水性集装箱涂料现状与展望[J].涂料工业，2018，48（6）：51-55.

[4]梁宇，陈凯锋，张心悦，等.石墨烯改性环氧锌基防腐涂料的制备与性能研究[J].涂料工业，2019，49（9）：30-34.

[5]赵新新，李凯，李伟铭，等.石墨烯改性防腐涂料的防腐机理研究[J].中国涂料，2017，32（2）：18-23.

[6]田振宇，李志刚，瞿研.锌烯重防腐涂料的发展现状与应用前景[J].涂料技术与文摘，2015，36（9）：30-34.

（作者单位：中烯新材料（福建）股份有限公司）